土体力学特性尺度效应的三轴抗剪试验分析.pdf

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水 利 学 报 2014年6月 SHUILI XUEBAO 第45卷 第6期 文章编号:0559-9350(2014)06-0742-07 土体力学特性尺度效应的三轴抗剪试验分析 房营光1,2 (1. 华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510641; 2. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510641) 摘要:土体的物理力学特性受到颗粒尺度及其级配的强烈影响,具有显著的颗粒尺度效应。文中采用天然黏土和 商品石英砂,制备具有不同颗粒粒径和体分比的一系列三轴抗剪试样,通过不固结不排水和固结不排水三轴抗剪 试验,测得了应力应变关系曲线以及剪应力屈服强度,基于试验结果对土体力学特性的颗粒尺度效应进行分析; 同时,引入胞元土体模型,对土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制进行解释。实验结果表明,随着土体中砂粒 体分比增加和粒径的减小,土体的变形特性明显增强,其剪应力屈服强度也随之显著提高;砂粒的体分比对变形 和强度颗粒尺度效应的影响比粒径的影响更为显著;胞元土体模型解释了实验结果的颗粒尺度效应的物理机制。 关键词:土体尺度效应;三轴抗剪试验;体分比;胞元土体模型;物理机制 中图分类号:TU43 文献标识码:A doi:10.13243/ki.slxb.2014.06.014 1 研究背景 土体是由固、液、气三相物质组成的天然地质介质,其中固相物质主要为原生矿物、次生矿物 和有机物等,包括小至微米级的黏粒、大至数十厘米以上的卵石、块石。大小不同且形状不规则的 颗粒堆积成多孔骨架,形成大小、形状、分布不一的孔隙以及复杂的颗粒空间排列与相互联结,导 [1-2] 致土体具有复杂的结构特征 ,其力学特性是颗粒在荷载下微观力学行为的宏观表现。土体荷载主 [3] 要由骨架承担,应力通过骨架颗粒间的接触点传递形成应力网络 。应力作用下容易导致土体结构性 改变,结构性的易变性与颗粒尺度和级配密切相关;颗粒级配影响土体压密性和粒间啮合力,进而影 [4] [5] 响土体的剪切特性和强度 ,结构性和颗粒级配是影响粉砂应力-应变关系和强度的两个主要因素 。 土体破坏从高剪应力区颗粒联结的薄弱处开始,逐渐扩展成一定尺度区域的宏观破坏剪裂带,强度 破坏过程跨越微细观到宏观的尺度,涉及颗粒间的聚合、胶结和摩擦等相互作用微观细节。试验分 [6-7] 析表明 ,土体颗粒尺度和级配强烈影响土体的强度指标(C 、Φ值)和渗透系数;土体颗粒沿最大剪 应力面定向排列后形成的剪切带的特征与颗粒大小和形状密切关联,以及泥石流的运动特性表现出 [8-9] 颗粒尺度和级配的影响特征 等,这些均表明土体力学特性受到尺度参数强烈的影响,与颗粒级配 及其多尺度特性有紧密联系,是土体力学特性尺度效应现象的实例。 土体力学行为的尺度效应源于土体颗粒性的本质特征,是颗粒介质的一种基本特性。土体的力 学特性,如变形和强度性质等,与不同尺度上物理机制产生关联和耦合,仅考虑单个尺度上的物理 机制,难以描述土体复杂的力学性质,力学特性的多尺度关联和耦合问题成为土力学当前研究的核 心问题之一。然而,传统土力学建立在连续介质力学基础之上,忽视了土体颗粒性的不连续特征, 本构方程不含尺度参数,无法描述其力学特性的尺度特征,可导致理论与实际的显著误差,有限元 [10] 计算也常出现明显的网格依赖性 。目前,对于介质力学性质尺度效应的研究,主要集中在晶体材 收稿日期:2013-11-14;网络出版日期:2014-03-24 网络出版地址:http:///kcms/detail/11.1882.TV1434.004.html

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